觸摸屏在高壓變頻器監控系統中的應用

湯雪華， 陳江洪， 唐麗嬋

（上海電氣集團股份有限公司 中央研究院，上海200070）

隨著國家節能減排政策的推動，高壓變頻器作為變頻器中的高端產品，在石油、化工、建材、電力、礦山、塑料、治金、水利等工業生產中得到了廣泛的應用。可編程控制器（Programmable Logic Controlle，PLC）、觸摸屏（Human Machine Interface，HMI）、單片機等作為高壓變頻器中的電氣控制核心，這些產品的功能與性能關系著整個高壓變頻器系統的穩定運行。具備交互式操作界面、數據列表、報警記錄和打印等功能已成為工控系統中重要的內容。而新一代工業人機界面的出現，對于在構建高壓變頻器監控系統中實現上述功能，提供了一種簡便可行的途徑。

本文主要講述HMI在高壓變頻器監控系統中的應用。

1 高壓變頻器系統

高壓變頻器主要由變壓器柜、功率單元柜和控制柜3部分組成。采用模塊化設計，通過功率單元相互串聯，可直接驅動交流電動機，無需輸出變壓器，更不需要任何形式的濾波器，由18個功率單元組成，每相由6臺功率單元相串聯，并組成Y形連接，直接驅動電動機。每臺功率單元電路、結構完全相同，可以互換，也可以互為備用。系統結構如圖1所示［1］。

圖1 高壓變頻器控制系統結構圖

本系統中HMI使用的是臺灣威綸科技公司的10寸彩色液晶觸摸屏TK6102I，而HMI組態軟件則是該公司開發的新一代人機界面軟件EasyBuilder8000（簡 稱 EB8000）。本 案 例 中，WEINVIEW HMI具備以下特性［2］：① 高速400 MHz復雜指令集計算機（Complex Instruction Set Computer，CISC）CPU，數據處理快；② 高分辨率10寸液晶顯示，高亮度、寬視角；③ 觸控面板高靈敏度、高精度，可至少連續觸控10萬次；④ 內置電源隔離保護器，保證了在復雜配電環境下長期運行的穩定性；⑤128MB大容量內存，記錄事件記錄和模擬量的趨勢圖，極大地方便了系統的數據記錄要求和數據變化的隨時監控。

2 變頻器監控系統的硬件組成

本變頻器監控系統主要由WEINVIEW HMI、變頻控制柜、主控數字信號處理器（Digital Signal Processing，DSP）組成，其中，變頻控制柜主要包括電壓電流互感器檢測（Phase voltage Transformer Current Transformer，PTCT）模塊、開關量輸入輸出模塊、遠程I／O、光纖觸發模塊和一些通訊電纜等如圖2所示。

圖2 監控系統圖

各部分說明如下：

（1）變頻控制柜，是整個系統的控制核心，具有高可靠性、低噪聲、高節能、保護功能完善等特點，內建光纖轉RS－485的通訊卡，而RS－485串行通信協議對用戶公開；

（2）DSP是比較重要的部分，采用TI公司的F28335控制器，對變頻器進行監測、故障保護，并實現對變頻器和異步電機的控制；

（3）HMI采用臺灣威綸科技公司的TK6102I，彩色10寸，分辨率為800像素×480像素，在操作模式為本地控制時，由HMI來對整個系統進行操作，即實現主控DSP的讀寫操作，由主控DSP實現對變頻器的控制；

（4）MOXA公司的遠程I／O，在操作模式為遠程控制時，實現對變頻器的遠程啟動／停止、報警復位、輸出頻率的設定顯示等；

（5）RS－485串行通信方式采用平衡發送接收，具有傳輸距離長、抗干擾能力強和多站能力的優點。

觸摸屏（WEINVIEW HMI）主要是應用在現場的就地控制單元。觸摸屏作為HMI人機界面，通過Modbus RTU通訊協議，實現與主控DSP控制器和MOXA的遠程I／O通訊，將變頻器所有的運行數據和參數在人機界面上進行實時顯示，實現對高壓變頻器的啟動／停止、復位、運行頻率、上升下降時間、輸出電壓系數等參數的設定，以及輸出頻率、輸出電壓、輸入電流、輸出電流、功率單元運行狀態等參數的讀取。

本系統應用Modbus RTU通訊協議實現觸摸屏與DSP、遠程I／O之間的透明傳輸，從而實現了對變頻器的啟停操作。

3 人機界面的設計與實現

人機界面就是提供一個可視化的操作環境，方便操作者對生產過程進行實時監視和控制，對生產數據進行歸檔保存，并能在系統出現異常時得到報警信息并及時處理。

本系統中，總共建立了10個畫面，通過組態軟件對變頻器的電壓、電流、頻率等多個數據進行監測，并直觀地顯示故障記錄情況及歷史記錄。

3.1 組態軟件

目前，世界上組態軟件品種繁多，國外產品有GE Fanuc公司的IFix、Wonderware的InTouch等；國內產品有三維力控、組態王等。組態軟件是運行于PC硬件平臺、Windows操作系統下的一個通用工具軟件產品。PC機或工控機也可以組成HMI產品，支持的設備種類非常多，但價格昂貴，適用于大型的監控系統中［3］。

觸摸屏則包含HMI硬件和相應的專用畫面組態軟件。一般情況下，不同廠家的HMI硬件使用不同的畫面組態軟件，連接的主要設備種類是PLC，通訊速度快、成本低，適用于小型監控系統中。

本系統的觸摸屏自帶的是EasyBuilder 8000組態軟件，通過該軟件進行畫面組態，可以對整個高壓變頻器進行啟動、自由停機等操作。HMI流程圖如圖3所示。

圖3 HMI流程圖

3.2 Modbus協議

Modbus是工業控制器的網絡協議中的一種。Modbus協議是MODICON公司開發的開放式現場總線通信協議，它符合開放系統互連（Open System Interconnection，OSI）標準協議集中數據鏈路層規定的高級數據鏈路控制協議，但做了簡化處理。由于其功能相對于CAN總線比較完善而且使用簡單，數據易于處理，協議開放，因而在各種智能設備中被廣泛采用。

通過Modbus協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（如以太網）和其他設備之間可以通信，從而進行集中監控。Modbus采用主從應答方式，即只有一個設備作為主機能主動發送詢問信息，其他設備則作為從機響應主機的命令或將所需的信息返回至主機。在同一個網絡中，有一個主設備和最多達255個從設備。主設備地址碼為0，從設備地址為1～255。讀取或寫入信息除要求從機地址外，還需要數據寄存器的地址。Modbus協議可使用兩種模式進行通訊：ASCⅡ和RTU，這兩種模式在報文結構、功能命令上是相同的，僅幀信息的表示方法不同而已。它們的區別是：采用RTU模式通訊時，信息是以8位二進制方式傳輸的；而采用ASCⅡ時，信息是以字符為基本單位傳輸的，每個字符都用ASCⅡ碼表示。ASCⅡ的優點是通用性好，讀取容易。但在相同傳輸速率下，RTU模式比ASCⅡ模式傳輸效率提高100%［4］。本文將介紹RTU模式通訊的實現方法。

（1）Modbus功能碼

Modbus幀格式由地址、功能碼、數據段、校驗碼組成。數據段內容根據主—從或從—主關系可包括寄存器起始地址、寄存器數、數據位，格式如表1所示。

表1 Modbus RUT幀格式

每一幀數據以至少3.5個字符的間隔時間（T1－T2－T3－T4）標志開始和結束，整個信息幀必須以連續的信息流進行傳輸，從而保證CRC校驗的正確。其中：地址為8位，從機的有效地址范圍是0～247，其中0是廣播地址；功能碼為8位，有效編碼為1～255；數據段可由多組數據組成，主要包括從機要完成功能碼功能所需的附加信息；CRC為此幀數據的循環冗余校驗碼，用于保證整幀數據傳輸的正確性。

在EB8000中，功能碼的定義如表2所示［5］。

表2 EB8000功能碼表

在EB8000軟件中，對Modbus地址功能碼的定義如表3所示。

表3 地址功能碼

本系統設計時，先定義HMI與下位機通信的變量，再確定其通信變量的基本類型和具體地址，以便觸摸屏能和現場設備準確地通信。在EB8000中，Modbus RTU協議的地址格式定義如圖4所示。

圖4 Modbus RTU協議的地址格式

（2）通訊設置

在使用EB8000觸控屏編程軟件編程之前，先要在系統參數里設定通訊的方式及參數，如圖5所示。在系統參數設定中，PLC的類型選擇為Modbus RTU協議，通訊端口選擇為RS－485－2W，并進行通訊端口設置：COM3，8bits數據位，1個停止位，無校驗，波特率為9 600bit／s，超時為1s，通訊延時10ms。觸摸屏作為主站，PLC站號設定為0，DSP作為從站，PLC站號設定為3（默認），同時在DSP－F28335中也要將PLC的站號設定為3。

圖5 設備屬性

另外，MOXA公司遠程I／O作為遠程控制功能使用，與觸摸屏通訊用的是Modbus RTU協議。作為Modbus從站，PLC站號設定為2號，在MOXA N2010型的控制器中用撥碼設定Modbus站為2號，通訊參數設置與主控DSP設定一致。在宏指令或畫面中使用MOXA的變量時，為了區分DSP變量和遠程I／O的變量，用站號來區分，方法：站號＃＋變量地址，此處就是2＃＋變量地址即可。

以變頻器的啟動操作按鈕為例，在EB8000軟件中定義該變量，地址為DSP的數據寄存器為500的第0位，在軟件中的變量地址是原地址＋1，否則無法進行通訊。默認Modbus從站為DSP，故無需在地址前加3＃，如圖6所示。

圖6 變量地址標簽

3.3 變頻器監控系統的實現

高壓變頻器需要實現在就地控制操作狀態下進行參數設定和操作，在遠程控制狀態下按照給定參數進行變頻器的啟動、停止和急停操作。最主要的工作界面有參數設定界面、系統參數界面、故障記錄界面以及報警和事件顯示界面等。在每一個界面上都大量用到了數據輸入／顯示元件、位狀態設定／顯示元件、功能元件及文本輸入／顯示元件等。在EB8000編程軟件中設定元件所指向的PLC的數據塊地址和位地址。

（1）系統參數顯示

實現變頻器的在線監測，可以對變頻器系統狀態（報警、運行／停止、故障）、變頻器的運行參數（輸出頻率、輸出電壓、輸入電流和輸出電流）進行實時監測，能幫助值班人員及時了解設備工作狀態。

（2）狀態監控功能

可以在該界面切換控制方式，就地控制：在觸摸屏上進行變頻器的參數設定和變頻器操作，如圖7所示。可手動設定頻率、電壓輸出系數、電壓頻率系數、手動升降幅、啟動和停止變頻器等操作，具體包括：① 給定頻率，設定變頻器的輸出頻率大小，設定范圍為4～50Hz；② 升、降頻幅值，按“升頻”／“降頻”鍵，變頻器每次升降的幅值，單位為 Hz；③ 變頻時間設定，設定每個頻率段間所需的時間，單位為s；④ 輸出頻率，顯示變頻器實際運行的頻率大小，單位為Hz；⑤ 輸入電流，顯示變頻器輸入電流大小，單位為A；⑥ 輸出電壓，顯示變頻器的實際輸出電壓大小，單位為V；⑦ 輸出電流，顯示變頻器的實際輸出電流大小，單位為A。

圖7 變頻器操作界面

（3）故障報警記錄功能

通過設定故障及報警參數后，在系統運行時及時顯示系統運行中的故障信息，且HMI能將系統中的事件記錄無遺漏地進行儲存。通過監測點的顏色變化，提醒操作員注意。如圖8所示。

圖8 故障報警記錄

（4）歷史記錄功能

可對指定的監控量進行自動檢測、自動存儲，并可通過輸入具體日期調出當時的數據記錄。方便地解決了現場定時數據抄寫、維護及繁瑣的數據處理工作，提高了企業的辦公自動化能力和管理水平。

4 結 語

由于Modbus協議具有開放性和透明性等特點，RS－485具有可靠性高、傳輸距離遠、抗干擾能力強等優點，所以在本系統中觸摸屏與DSP及遠程I／O通信采用Modbus RTU協議，相互之間使用RS－485接口連接實現信息的交互，達到了對高壓變頻器各參數的在線實時監測與控制功能，在實際使用過程中也取得了良好效果，具有界面友好、易于操作、通信穩定可靠等優點。

［1］仲明振，趙相賓.高壓變頻器應用手冊［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［2］WEINVIEW公司.EB8000使用教程［DB／OL］.（2012－04－02）［2011－08－03］.http：／／www.weinview.cn／download.php？sortserial＝0＆pageIndex＝10.

［3］馬國華.監控組態軟件及其應用［M］.北京：清華大學出版社，2001.

［4］袁臣虎.基于MODBUS協議的觸摸屏與TMS320F2812串行通信研究［J］.天津工業大學學報，2010，29（2）：63－67.

［5］WEINVIEW公司.Modbus功能碼測試［DB／OL］.（2010－08－02）［2011－09－03］.http：／／www.weinview.cn／download.php？sortserial＝0＆pageIndex＝10.